мол био. рк мол био. Молекулярная биология клетки
 Скачать 35.03 Kb.
|
|
Молекулярная биология клетки представляет собой стремительно развивающуюся область знаний, возникшую на стыке цитологии, биохимии и биофизики. Молекулярная биология изучает строение и функции нуклеиновых кислот, принципы и механизмы реализации наследственной информации, а также молекулярные основы структуры и функций клеток, процессы роста, развития, деления, опухолевой трансформации и гибели клеток. В задачи молекулярной биологии входят исследования: 1. Структурно-функциональной организации генетического аппарата клеток 2. Механизма реализации наследственной информации (молекулярная генетика), 3. Молекулярных механизмов взаимодействия вирусов с клетками (молекулярная вирусология), 4. Закономерностей иммунных реакций организма (молекулярная иммунология), 5. Появления разнокачественности клеток в ходе индивидуального развития организмов специализации клеток (молекулярная биология развития). Основные этапы развития молекулярной биологии 1. Первый романтический период 1935-1944 гг. Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками. В 1940 г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген -один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали. 2. Второй романтический период 1944-1953гг. Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии. 3. Догматический период 1953-1962 гг. Сформулирована центральная догма молекулярной биологии: Перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок. В 1962 г. был расшифрован генетический код. 4. Академический период с 1962 г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод. Ocновныe открытия 1944 г. Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти. 1953 г. Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик. 1961 г. Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно. 1962 г. Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа. 1967 г. Синтез invitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии). 1970 г. Химический синтез гена. Гобинд Корана. 1970 г. Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбеко. 1974 г. Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер. 1978 г. Открытие сплайсинга. Филипп Шарп. 1982 Открытие авто сплайсинга. Томас Чек. 1.Клетка — это элементарная, функциональная единица строения всего живого. 2. Клетка — единая система, она включает множество закономерно связанных между собой элементов, представляющих целостное образование, состоящее из сопряжённых функциональных единиц — органоидов. 3. Клетки всех организмов гомологичны. 4. Клетка происходит только путём деления материнской клетки. Клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм – одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. Благодаря заложенным в ней механизмам клетка обеспечивает обмен веществ, использование биологической информации, размножение, свойства наследственности и изменчивости, обуславливая тем самым присущие органическому миру качества единства и разнообразия. Прокариотический тип клеточной организации Современные прокариоты представлены бактериями и сине-зелеными водорослями. У прокариот можно обнаружить все основные метаболические пути и три главных способа получения энергии – гликолиз, дыхание и фотосинтез. Прокариоты имеют оболочку, состоящую из наружного слоя и плазматической мембраны, цитоплазму. В цитоплазме содержатся рибосомы и полисомы, которые образуют белоксинтезирующий аппарат клетки. Отличительной особенностью прокариот является своеобразное строение генетического аппарата. 1.Бактерии и все прокариоты не имеют морфологически обособленного ядра. Эквивалентом ядра является нуклеотид. 2.Генетический аппарат представлен главной кольцевой хромосомой. Хромосома состоит из одной молекулы ДНК и не содержит типичных хромосомных белков –гистонов 3. Внехромосомная ДНК предоставлена плазмидами. Плазмиды-это кольцевые фрагменты ДНК, каждая из которых состоит из нескольких тысяч нуклеотидных пар. Размножается прямым делением. Эукариотический тип клеточной организации. Эукариотические клетки больше по размеру и имеют более сложную организацию. 1. Эукариотические клетки имеют морфологический обособленное ядро, вещество которого отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой. 2. Основное вещество ядра представлено хроматином. 3. Ядро расположено в центре клетки, с хорошо выраженной ядерной оболочкой. 4. Жизненный цикл эукариотических клеток сопровождается сложной реорганизацией наследственного аппарата. Эукариотические клетки включают следующие основные компоненты: плазмалемму, цитоплазму, ядро. Эукариотические клетки имеют цитоплазму, сложную в химическом и структурном отношении. К основным компонентам цитоплазмы относятся: гиалоплазма, цитоскелет, органоиды и включения. Вирус — простейшая форма жизни, микроскопическая частица, представляющая собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку (капсид) и способные инфицировать живые организмы. Были открыты в 1892 году русским биологом Д.И. Ивановским. Вирусы, за редким исключением, содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК. Вирусы являются облигатными паразитами, так как не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы ведут себя как химические вещества. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты). Просто организованные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, образующих вокруг нее оболочку — капсид. Примеров таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит один вид белка с небольшой молекулярной массой. Являются внутриклеточными паразитами. Поселяются и живут внутри одно или многоклеточных организмов. Проникнув в клетку, начинают усиленно питаться содержимым здоровой клетки, и вскоре размножаются: за 30 мин. в одной клетке появляются сотни вирусов. Новые частицы выходят и поражают новые здоровые клетки. Продолжительное время могут сохраняться в воде, почве. Вирусы вызывают различные болезни человека, такие как корь, паротит, грипп, герпес, гепатит. Различные вирусные болезни поражают домашних животных и культурные растения, нанося серьезный урон сельскому хозяйству. В эволюционном плане значение вирусов обусловлено их способностью (в некоторых случаях) вызывать изменения в генетическом материале клетки хозяина (мутации). Вирусы – возбудители гриппа, полиомелита, кори, бешенства, краснухи, гепатита, энцефалита, герпеса, оспы, СПИДа и др. Против многих болезней антибиотики не действуют, а включается только иммунная система. Нуклеиновые кислоты – материальный субстрат наследственности и изменчивости, это макромолекулы, биополимеры мономерами которых являются нуклеотиды. Непрерывность существования живой клетки обусловлена двумя фундаментальными свойствами жизни: наследственностью и изменчивостью, которые обеспечиваются нуклеиновыми кислотами. Впервые нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г. (Ф. Мишер). Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения с определенной последовательностью мономеров - нуклеотидов. Информация о структуре белка, хранится и воспроизводится при помощи нуклеиновых кислот. Типы нуклеиновых кислот: 1. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) 2. Рибонуклеиновая кислота (РНК) Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) Важнейшим процессом, происходящим во всех клетках, является синтез белка. Информация о последовательности аминокислот, составляющих первичную структуру белка, заключена в ДНК. Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) состоит из двух спирально закрученных цепей. Общепринятая модель структуры ДНК была впервые предложена Дж. Уотсон и Ф. Криком в 1953г. Модель строение ДНК, предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком, основывались на следующих данных: 1. ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных 3/ - 5/ фосфодиэфирными связями. 2. Состав нуклеотидов в ДНК подчиняется правилам Чаргаффа(правило комплементарности). В молекуле ДНК количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина — количеству цитозина: А = Т, Г = Ц. 3. Рентгенограммы волокон ДНК, впервые полученные М.Уилкинсом и Р.Франклин указывают на то, что молекулы обладают спиральной структурой. 4. Структура нативной ДНК стабилизируется водородными связями. Функции ДНК: 1. хранение наследственной информации; 2. передача наследственного материала; 3. реализация наследственной информации в процессе синтеза белка. Первичная структура ДНК Мономером ДНК является нуклеотид ДНК. Нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирной связью, образуя полинуклеотидную цепь. На полинуклеотидной цепи ДНК различают два конца 5’ и 3’, начало и конец. Образование фосфодиэфирной связи обеспечивает фермент ДНК-полимераза. Благодаря ДНК-полимеразе происходит наращивание полинуклеотидной цепи только на одном конце (3’). Начало любой полинуклеотидной цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5’. • Полинуклеотидная цепь — это первичная структура ДНК. Вторичная структура — это две антипараллельные комплементарные полинуклеотидные цепи, соединенные между собой водородными связями, и образующие спираль. Диаметр спирали составляет 2 нм., длина шага- 3.4 нм., в каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Комплементарность в молекуле ДНК: Аденин – Тимин, Гуанин – Цитозин • Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи. Между гуанином и цитозином – три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей. • Антипараллельность в молекуле ДНК: 5 конец одной цепи соединяется с 3-концом другой. Третичная структура – упакованная молекула ДНК. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации. Суперспиральная структура обеспечивает экономную упаковку огромной молекулы ДНК. Упаковка происходит при помощи гистоновых и негистоновых белков. Одна молекула ДНК в комплексе с белками в ядрах образует нить хроматина. При делении хроматин конденсируется в хромосому. Пространственная организация ДНК Характерные особенности пространственной организации молекулы ДНК («двойной спирали») таковы: Пуриновые и пиримидиновые основания расположены внутри спирали и соединены между собой водородными связями согласно принципу комплементарности. Остатки фосфата и дезоксирибозы соединены ковалентными связями и находятся снаружи от оси спирали. Плоскость азотистых оснований почти перпендикулярна оси спирали и цепи из фосфатов и сахара. Диаметр спирали порядка 2,0 нм. Расстояние между соседними основаниями вдоль оси - 0,34 нм. Таким образом, на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов, что соответствует 3,4 нм. Две полинуклеотидные цепи удерживаются вместе благодаря водородным связям между азотистыми основаниями в соответствии с принципом комплементарности. Последовательность нуклеотидов в одной цепи не имеет никаких ограничений. В соответствии с принципом комплементарности, цепи ДНК направлены в противоположную сторону (антипараллельны). Функции ДНК: 1. хранение наследственной информации; 2. передача наследственного материала; 3. реализация наследственной информации в процессе синтеза белка. Свойства ДНКДНК способность к самоудвоению — воспроизведению точных копий исходной молекулы. Благодаря этой способности молекулы ДНК, осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления. Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией. Репликация — сложный процесс, идущий с участием ферментов (ДНК-полимераз). Репликация осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула ДНК раскручивается и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Раскручивание молекулы происходит на небольшом отрезке (несколько десятков нуклеотидов), называемом репликативной вилкой. После окончания синтеза дочерних цепей ДНК на данном участке и соединения их с материнскими раскручивается новый отрезок, и цикл репликации повторяется. Таким образом, репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, пока не дойдет до точки окончания синтеза. Митохондрии – это "энергетические станции" клетки, без которых она не сможет существовать. Митохондрии имеют собственную генетическую информацию, зашифрованную в митохондриальной ДНК. Когда-то митохондрии представляли собой бактерии. Но, попав в эукариотические клетки, они растеряли часть своей генетической информации, часть отдали в ядро клетки-хозяина, и сейчас митохондриальная ДНК состоит всего лишь из 37 генов, необходимых для окисления глюкозы до углекислого газа и воды. У большинства высших животных геном митохондрий содержит 37 генов: • 13 для белков дыхательной цепи, • 22 для тРНК , • 2 для рРНК (для большой субъединицы рибосом 16S рРНК и для малой 12S рРНК). Согласно эндосимбиотической теории, митохондриальная ДНК произошла от кольцевых молекул ДНК бактерий и поэтому имеет иное происхождение, чем ядерный геном. У растений и простейших, в отличие от животных и большинства грибов, в митохондриальном геноме закодированы и некоторые белки, входящие в состав рибосом этих органелл. Плазмолемма Плазмолемма – окружает клетку. Основа плазмолеммы - биологическая мембрана, которая покрыта снаружи слоем гликокаликса толщиной 10 – 20 нм. Строение плазмолеммы: 1.Липидной бислой (гидрофильная «головка» и гидрофобные «хвосты»); 2. Белки: интегральные, периферические; 3.Гликокаликс- основными составляющими гликокаликса служат комплексы полисахаридов с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды). Функции плазмолеммы: •ограничивающая (барьерная), регуляция и обеспечение избирательной проницаемости веществ, раздел между гидрофильной и гидрофобной фазами, наличие ферментных комплексов наличие рецепторов. Свойства плазмолеммы: замкнутость, латеральная подвижность, асимметрия. Ядро Компоненты ядра: ядерная оболочка; хроматин; ядрышко; ядерной сок. Ядерная оболочка: обособляет генетический материал, состоит из двух мембран и перинуклеарного пространства, пронизана порами диаметром 80-90 нм. С внутренней стороны ядерной мембраны прикреплена ядерная ламина. Генетическая информация заключена в нитях хроматина, которые находятся в ядерном матриксе. Ядрышко – плотное круглое тельце, размеры которого могут изменятся от 1 до 10 мкм и больше. Количество ядрышек может меняться в разные периоды жизнедеятельности клетки и организма. Ядерный сок – полужидкое вещество под ядерной оболочкой и представляет собой внутреннюю среду ядра. В состав ядерного входят различные белки, ферменты, рибосомальные белки, хромосомы, нуклеотиды, аминокислоты и другие вещества. Цитоплазма В цитоплазме различают: основное вещество (матрикс, гиалоплазма), цитоскелет, включения и органеллы. Основное вещество цитоплазмы заполняет пространство между плазмалеммой, ядерной оболочкой и другими внутриклеточными структурами. Белковый состав гиалоплазмы разнообразен. Важнейшие из белков представлены ферментами гликолиза, обмена сахаров, азотистых оснований, аминокислот и липидов. Ряд белков гиалоплазмы служат субъединицами, из которых происходит сборка таких структур, как микротрубочки. Основное вещество цитоплазмы образует истинную внутреннею среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает взаимодействие их с друг другом. Выполнение матриксом объединяющей, каркасной функции может быть связано с наличием микротрабикулярной сети, образованной фибриллами 2–3 нм и пронизывающей всю цитоплазму. Включения - непостоянные компоненты цитоплазмы, которые служат запасными питательными веществами (жир, гликоген) продуктами, подлежащим выведению из клетки (гранулы секрета) балластными веществами (некоторыми пигментами). Гликокаликс- основными составляющими гликокаликса служат комплексы полисахаридов с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды). В слое гликокаликса располагаются пищеварительные ферменты, как поступающие туда из полости кишечника, так и синтезированные самим энтероцитом. Толщина гликокаликса равна приблизительно 15—40 нм на боковой поверхности энтероцита и 50—100 нм — на апикальной. Гликокаликс, микроворсинки и апикальная мембрана вместе называются исчерченной каёмочкой. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции, а также участвует в обеспечении избирательности транспорта веществ и пристеночном (примембранном) пищеварении. Наличие гликокаликса характерно для клеток животных, встречается также у бактерий. Цитоскелет представляет трехмерную сеть белковых собой нитей, сложную которая обеспечивает способность эукариотических клеток сохранять определенную форму. Цитоскелет состоит из микрофиламентов – длинные, тонкие образования, образующие пучки и обнаруживаются по всей цитоплазме. Актиновые микрофиламенты- диаметр 7 нм, обеспечивают мышечное сокращение и клеточное движение. Им приписывают каркасную роль и участие в организации внутриклеточных перемещений органелл и участков гиалоплазмы. Промежуточные филаменты- диаметр 10 нм, располагаются по периферии и в околоядерной зоне, выполняют механическую и каркасную функции. В эпителиальных, нервных, глиальных, мыщечных клетках, фибробластах они построены из разных белков. Микротрубочки - диаметр 25 нм, встречаются в цитоплазме клеток, структурных элементах (жгутиках и ресничках), митотическом веретене и центриолях. Органеллы Органеллы — это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке жизненно важные функции. Выделяют органеллы общего значения, к ним относят элементы канальцевой и вакуолярной системы в виде шероховатой и гладкой цитоплазматической сети, пластинчатый комплекс, митохондрии, рибосомы и полисомы, лизосомы, пероксисомы, микрофибриллы и микротрубочки, центриоли клеточного центра. Эндоплазматическая сеть Эндоплазматическая сеть -расположена вокруг ядра, образованна мембранами, разветвленная сеть полостей и каналов: гладкая ЭПС участвует в углеродном и жировом обмене; шероховатая ЭПС обеспечивает синтез белков с помощью рибосом. Особенность строения шероховатой сети состоит в прикреплении к ее мембранам полисом. В силу этого она выполняет функцию синтеза определенной категории преимущественно удаляемых из белков, клетки, например секретируемых клетками желез. Пластинчатый комплекс Гольджи Комплекс сложной структуры, состоящий из мембран, гранул и вакуолей. Здесь осуществляется биохимическая модификация белков и липидов, сборка протеингликанов, накапливание и выведение продуктов. В комплексе Гольджи осуществляется биохимическаямодификациявеществ: гликозилирование белков и липидов; гликозилирование и сборка протеогликанов; добавление маннозо-6-фосфата; сортировка веществ для дальнейшего транспорта. В комплексе Гольджи происходит упаковка, хранение и выведение веществ, синтезированных в ЭПС. Лизосома Овальные тельца (диаметр 0,2-0,4 мкм), окружены мембраной, содержат множество ферментов, способных расщеплять органические вещества. Лизосомы образуются из структур комплекса Гольджи. Первичные лизосомы (100 нм)- не активные органеллы; Вторичные (образованные из первичных) - органеллы в которых происходит процесс переваривания. Здесь содержатся ферменты (в каждой 36 ферментов): кислая фосфатаза, кислая рибонуклеаза, гликозидазы, коллагеназа. Из неферментных компонентов в них имеются фосфолипиды, гликопротеиды. Органеллы Органеллы — это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке жизненно важные функции. Выделяют органеллы общего значения, к ним относят элементы канальцевой и вакуолярной системы в виде шероховатой и гладкой цитоплазматической сети, пластинчатый комплекс, митохондрии, рибосомы и полисомы, лизосомы, пероксисомы, микрофибриллы и микротрубочки, центриоли клеточного центра. Митохондрии Митохондрии- двухмембранный органоид, внутренняя мембрана имеет выросты - кристы, внутри находится собственный генетический аппарат биосинтеза белков. Главная функция митохондрии - ферментативное извлечение из определенных химических веществ энергии (синтез АТФ), путем окисления. Энергия идет на разнообразную работу: механическую, химическую, осмотическую. Число митохондрий в животной клетке колеблется 150-1500. Митохондрии является энергетической базой клетки (или силовыми станциями клетки), в них вырабатывается аденозинтрифосфат (АТФ), являющийся источником энергии. Митохондрии способны к перемещению в клетке. Также способны к самоудвоению, т.е. размножаются делением. В клетках печени они живут 10-20 дней. Рибосомы Рибосомы- сферические частицы (диаметр 20-30 нм), располагаются в цитоплазме свободно или прикреплены к мембранам ЭПС; осуществляют синтез белка. Рибосома состоит из малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие нитки бус. Такую структуру называют полисомой. На полисомах гиалоплазмы образуются белки для собственных нужд (для «домашнего» пользования), а на полисомах гранулярной сети синтезируются белки, выводимые из клетки и используемые на нужды организма (например, пищевые ферменты, белки грудного молока). Центросома или клеточный центр Встречается во всех клетках, способных к делению. Клеточный центр состоит из двух центриолей: дочернего и материнского, расположенных перпендикулярно друг к другу и создающими диплосому. Только одна из центриолей, а именно материнская, имеет множество дополнительных образований. Одни из них это сатиллиты, их численность непостоянна, и они располагаются по всей длине центриоля. Материнский участок диплосомы является источником создания микротрубочек. Центриоли имеют форму цилиндра длиной 0,3мкм и диаметром 0,1мкм. Стенки центриолей состоят из девяти групп протеиновых микротрубочек. Окружены центриоли областью, более светлой цитоплазмы, (Эту светлую область и называют клеточным центром) от которой отходят микротрубочки, и образовывают центросферу, состоящую из углеводов, белков, и липидов. Органеллы Органеллы — это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке жизненно важные функции. К органеллам специального значения относят, например, микроворсинки всасывающей поверхности эпителиальной клетки кишечника, реснички эпителия трахеи и бронхов, синаптические пузырьки, транспортирующие вещества – переносчики нервного возбуждения с одной нервной клетки на другую или клетку рабочего органа, миофибриллы, от которых зависит сокращение мышцы. Включения клетки Включения – непостоянные структурные компоненты цитоплазмы. Классификация включений: Трофические включения – лецитин в яйцеклетках, гликоген, липиды, имеются почти во всех клетках. Секреторные включения – секреторные гранулы в секретирующих клетках (зимогенные гранулы в ацинозных клетках поджелудочной железы, секреторные гранулы в эндокринных железах и другие). Экскреторные включения – вещества, подлежащие удалению из организма (например, гранулы мочевой кислоты в эпителии почечных канальцев). Пигментные включения – меланин, гемоглобин, липофусцин, билирубин и другие. Эти включения имеют определенный цвет и придают окраску всей клетке (меланин – черный или коричневый, гемоглобин – желто-красный и так далее). Пигментные включения характерны только для определенных типов клеток (меланин содержится в меланоцитах, гемоглобин – в эритроцитах). Однако, липофусцин может накапливаться во многих типах клеток обычно при их старении. Его наличие в клетках свидетельствует о их старении и функциональной неполноценности. |